高銀貴，周大偉，安士凱，王 玲，張德民，詹紹奇

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；3.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232033；4.新能礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

“富煤、貧油、少氣”是我國的能源現(xiàn)狀，這就決定了煤炭資源在較長時間內(nèi)始終是我國的主要消費能源和能源戰(zhàn)略安全的保證[1]。我國煤炭資源在地理分布上呈現(xiàn)“西多東少”趨勢，隨著國家供給側結構性改革、能源戰(zhàn)略調(diào)整及東部煤礦逐漸關閉，西部地區(qū)必將成為我國未來主要煤炭資源產(chǎn)地[2-3]。煤炭開采在滿足國家能源需求的同時也導致嚴重的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境損害問題，煤炭開采引起巖層及地表變形是產(chǎn)生礦山地質(zhì)環(huán)境損害的根源。西部礦區(qū)地質(zhì)構造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，適宜大規(guī)模機械化開采，且由于煤層淺埋，大采高、高強度快速開采及地質(zhì)環(huán)境脆弱，西部煤炭開采引發(fā)的地表沉陷大多呈現(xiàn)出變形速度快、損害程度深、波及范圍廣的特點[4]。由煤炭開采引起的礦區(qū)地表沉陷會造成地表建構筑物以及生態(tài)環(huán)境的破壞，嚴重時甚至會引發(fā)滑坡、泥石流等災害，對煤礦安全生產(chǎn)以及人們的正常生活產(chǎn)生嚴重的損害和威脅。礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測對合理指導煤炭資源開采活動，保護生態(tài)環(huán)境不受破壞以及人民生命財產(chǎn)安全具有重大意義。然而，西部礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，沉陷規(guī)律研究不深入，更沒有適合的沉陷參數(shù)。尤其國家對環(huán)境保護要求越來越嚴格，礦區(qū)環(huán)境損害監(jiān)測及評估已經(jīng)成為西部礦山企業(yè)面臨的巨大難題。

現(xiàn)有沉陷監(jiān)測技術是以全站儀、水準測量、GPS等大地測量技術為主的常規(guī)地表沉陷監(jiān)測技術。該監(jiān)測方法是通過在采空區(qū)上方地表布設走向和傾向“十字”觀測線進行沉陷監(jiān)測[5-6]，根據(jù)各觀測站獲取的平面坐標和高程信息。該技術監(jiān)測精度高，是目前獲取礦區(qū)地表形變最常用、最有效的手段，在礦山開采沉陷研究及實際工程中發(fā)揮了重要的作用。然而，該監(jiān)測手段有如下特點：①監(jiān)測范圍和尺度小，一般以單工作面為監(jiān)測對象；②僅以地表移動變形為監(jiān)測內(nèi)容，無法獲得環(huán)境損害信息(比如植被、水體等)；③成本高、周期長、工作量大、需要埋設測點且難以長期保存等缺點；④只“點狀”觀測，數(shù)據(jù)及信息量少，不能完整反映沉陷盆地特征。這些不足導致其已無法適應新形勢下西部高強度開采地表損害監(jiān)測任務，因此如何快速、準確、全面地監(jiān)測西部高強度大規(guī)模開采引起的地表沉陷與環(huán)境損害是解決問題的關鍵。

隨著近年低成本、輕型無人機與技術的發(fā)展，以無人機為搭載平臺的無人機低空攝影測量技術(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)成為當前應用較廣泛的測繪新技術。UAV攝影測量是以無人機為平臺，集成高分辨率(多/高光譜)低空光學傳感器、GPS和IMU等技術，可同時獲取地表沉陷變形和地物環(huán)境信息，適應于多尺度的監(jiān)測任務，具有機動靈活、高效精準、作業(yè)成本低(突出的時效性和性價比)等優(yōu)勢[7-8]，極大推動了攝影測量技術在礦區(qū)的應用[7,9-11]?；诖?，筆者以內(nèi)蒙古鄂爾多斯某煤礦為研究對象，提出了UAV攝影測量監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的思路、關鍵技術流程和方法、采用UAV攝影測量技術對該礦區(qū)地表沉陷進行監(jiān)測，采用常規(guī)全站儀/水準測量數(shù)據(jù)進行對比研究，分析了UAV攝影測量監(jiān)測精度，討論分析該技術在西部礦區(qū)高強度開采地表沉陷監(jiān)測的可行性。

1 無人機監(jiān)測思路及方法

1.1 基本思路

UAV-攝影測量可以定期快速獲取監(jiān)測區(qū)域地表光學影像數(shù)據(jù)，該影像含有地表三維坐標和豐富的地物光譜信息數(shù)據(jù)，通過對影像數(shù)據(jù)的處理可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和生態(tài)環(huán)境信息(如植被、土壤及水體)，前者通過多期DEM相減可以進一步處理得到地表沉陷變形，后者通過多期地物對比分析，可用于研究礦區(qū)生態(tài)環(huán)境精細演變。

圖1為UAV-攝影測量監(jiān)測地表沉陷的示意，當工作面推進到位置1時，利用UAV觀測一次地表，解算得到當時的數(shù)字高程模型DEM1。當工作面推進到位置2時，再用對同一位置地表進行第二次觀測，獲得該時刻的地表數(shù)字高程模型DEM2。通過兩期DEM相減，即DEM1減去DEM2，可以得到監(jiān)測區(qū)域的地表沉陷盆地，如若2次監(jiān)測是采動過程中進行的，獲得的即為動態(tài)沉陷盆地；如若為工作面開采首末2次監(jiān)測，獲得的即為穩(wěn)態(tài)沉陷盆地，再根據(jù)工作面開采的相關信息，便可以反演出地表移動變形預測參數(shù)等。

圖1 無人機攝影測量技術監(jiān)測地表沉陷思路Fig.1 Monitoring surface subsidence by UAV photogrammetry technology

1.2 DEM構建方法及流程

UAV-攝影測量技術通過對航測數(shù)據(jù)進行處理得到同一監(jiān)測區(qū)域不同監(jiān)測時期的DEM，多期DEM相減獲得監(jiān)測區(qū)域的地表沉陷。DEM的構建是生成地表沉陷盆地的關鍵步驟，DEM構建流程如圖2所示。首先，利用無人機控制平臺規(guī)劃航飛路線并獲取監(jiān)測區(qū)域的影像數(shù)據(jù)；再進行相機標定獲得相機畸變參數(shù)，并利用該參數(shù)對原始影像進行畸變校正；然后，對校正后的影像進行相對定向，使所有像片統(tǒng)一至選定的像空間輔助坐標系中；隨后，再利用外業(yè)測量獲取的像控點數(shù)據(jù)進行絕對定向，使像片由像空間輔助坐標系轉換至地面坐標系；最后，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差以及影像密集匹配加密點，獲取整個監(jiān)測區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，再通過空間內(nèi)插構建DEM[12-13]。其中，構建DEM的關鍵技術如下：

圖2 DEM構建流程Fig.2 Flow chart of DEM construction

1)影像畸變校正：無人機低空攝影測量攜帶的相機大多為非量測型相機，獲取的影像存在畸變差，因此在進行影像數(shù)據(jù)處理前必須消除畸變差。通過調(diào)整像主點位置和糾正畸變參數(shù)來實現(xiàn)影像畸變校正。

2)相對定向：在2張具有一定重疊度的相鄰影像上提取相似的特征點，然后利用基于灰度或者特征的匹配算法進行同名點匹配，相對定向后監(jiān)測區(qū)域所有影像的坐標系統(tǒng)一至以像空間輔助坐標系為基準的自由坐標系中。

3)絕對定向：引入像控點數(shù)據(jù)，解算每張像片在控制點坐標系下的外方位元素和待定點的地面坐標，完成影像由自由坐標系統(tǒng)一至地面坐標系。

4)光束法區(qū)域網(wǎng)平差：以每張像片組成的光束為平差基本單元，按照共線條件方程列出誤差方程，對測區(qū)整體進行平差處理獲取每張像片的外方位元素以及待求點的地面坐標。

5)影像匹配：尋找2幅或多幅影像之間的同名點，主要方法為基于點特征的匹配，包括SIFT、SURF、Harris-Laplace算子等算法。

2 礦區(qū)工程案例

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)采集

試驗區(qū)域為位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的某煤礦2S201工作面。該工作面傾向長度260 m，走向長度1 253 m，煤層厚2.9～3.7 m，實際平均采厚3.17 m，煤層總體傾向西南，平均傾角2°，煤層平均采深約200 m。

采用天寶UX5無人機攝影測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，無人機相關參數(shù)見表1；外業(yè)像控點數(shù)據(jù)由GPS RTK測量完成，像控點測量坐標系為北京54坐標系，數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)Fig.3 Field data acquisition

表1 天寶UX5無人機航測系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of aerial survey system of Tianbao UX5 UAV

兩期數(shù)據(jù)分別采集于2018年6月9日、2018年9月4日，第一期和第二期無人機影像均為560張，相對地面平均航高為250 m左右，設計為東西航向，航帶為28條，考慮到本試驗所用無人機平臺較輕、穩(wěn)定性差和抗風能力弱的特點，設計的航向和旁向重疊率均為80%，見表2。

表2 無人機影像數(shù)據(jù)信息Table 2 Information of UAV images

2.2 數(shù)據(jù)處理及精度分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理及結果

根據(jù)前述無人機攝影測量監(jiān)測地表沉陷的基本原理，首先構建DEM，分別將外業(yè)無人機平臺采集的2期影像數(shù)據(jù)以及GPS RTK采集的像控點數(shù)據(jù)導入PhotoScan軟件中，進行初始預處理剔除掉部分扭曲或模糊的照片，然后對齊照片；然后進行影像匹配獲取影像的同名點坐標，并剔除誤匹配點；利用少量的外業(yè)像控點數(shù)據(jù)在像片上刺同名點，進行輔助GPS光束法區(qū)域網(wǎng)平差以獲取高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)；最后進行密集匹配、SfM攝影測量等處理，建立實驗區(qū)域的密集點云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插獲取數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)，如圖4和圖5所示。

圖4 第一期DOM圖像(左)和DEM圖像(右)Fig.4 DOM (left)/ DEM (right)of phase I

圖5 第二期DOM圖像(左)和DEM圖像(右)Fig.5 DOM (left)/ DEM (right)of phase Ⅱ

然后對利用ArcGIS軟件對2期DEM進行相減，得到無人機攝影測量監(jiān)測的某煤礦2S201工作面從2018-06-09至2018-09-04間的地表沉陷，最大下沉值為2 487 mm，如圖6所示。

2.2.2 DEM及沉陷盆地精度分析

為分析無人機攝影測量技術監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的精度，采用全站儀和水準儀于2018年6月和9月分別對布設的15個地面測站點進行測量(地面測站點分布情況如圖6所示)，得到兩個時期的各地面觀測站的平面坐標和水準數(shù)據(jù)，并與無人機數(shù)據(jù)生成的DEM和沉陷盆地上對應點的高程和沉降值數(shù)據(jù)分別進行比較。

圖6 無人機攝影測量監(jiān)測的沉陷盆地Fig.6 Subsidence basin monitored by UAV photogrammetry

1)DEM精度評價。根據(jù)全站儀測量的地面測站點的平面坐標，利用利用ArcGIS軟件提取DEM上對應坐標點的高程。兩期DEM高程與地面觀測站水準高程對應比較，見表3和表4。

表3 第一期DEM的誤差統(tǒng)計Table 3 Error statistics of first period DEM

表4 第二期DEM的誤差統(tǒng)計Table 4 Error statistics of second period DEM

通過對地面觀測點和DEM對應點的高程差值的均方根誤差進行計算，以此評估DEM的精度，均方根誤差計算公式為

(1)

式中：M為均方根誤差(即中誤差)；Δi為高程差值；n為實測點數(shù)量。

由上表數(shù)據(jù)計算可得，第一期和第二期的DEM的高程均方根誤差分別為0.236 m和0.220 m，兩期DEM的平均高程均方根誤差為0.228 m。

2)沉陷盆地精度評價。將2期水準高程相減得到的下沉值與2期DEM相減得到的沉陷盆地上相應的下沉值作比較，見表5，得到下沉中誤差為0.081 m。

由表3—表5數(shù)據(jù)可以看出，無人機監(jiān)測的下沉值在14、15號點的相對誤差較大，主要由于該位置處下沉量小為厘米級，無人機監(jiān)測精度無法達到要求，因此誤差較大；而7～11號點處則由于一些非采動因素(農(nóng)民挖沙子)的影響，造成較大誤差。

表5 沉陷盆地誤差統(tǒng)計Table 5 Error statistics of subsidence basin

對下沉差值的均方根誤差進行計算，以此評估沉陷盆地的精度，均方根誤差計算公式同式(1)。

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)計算可得，沉陷盆地的下沉值中誤差為0.081 m。由于無人機DEM誤差中，系統(tǒng)誤差影響較大，造成無人機DEM的精度較低，而無人機監(jiān)測的沉陷盆地是由2期DEM相減獲得，消除了系統(tǒng)誤差的影響，使其只含隨機誤差，故無人機攝影測量解算的沉陷盆地的精度相對較高。

2.3 UAV-攝影測量監(jiān)測礦區(qū)沉陷可行性

由上述精度分析可知，本次試驗中的UAV求取的下沉盆地精度為81 mm，就單個點的精度而言，不滿足礦區(qū)開采沉陷變形監(jiān)測精度10 mm的要求而無法直接用于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測，尤其在對建筑物損害鑒定時，需要觀測沉陷盆地邊界的微小變形(監(jiān)測精度為毫米級)。然而，礦區(qū)沉陷監(jiān)測的另一個核心作用是求取概率積分參數(shù)，與傳統(tǒng)沉陷監(jiān)測技術的線狀觀測站不同，UAV攝影測量技術獲取的是整個面域的沉陷值，10 mm的精度要求是針對常規(guī)的單個點而言的，盡管單點監(jiān)測精度不高，但利用面域內(nèi)大量的沉陷數(shù)據(jù)求取的預計參數(shù)具有較高的精度，以此對整個地表沉陷進行預測，可以得到比較可靠的結果。

根據(jù)文獻[14]中的測量誤差對開采沉陷預計參數(shù)的影響分析結果可知，以測量中誤差和最大下沉值之比作為衡量標準，比值<7%時求參結果可靠，比值>10%時求參結果不可靠，比值在兩者之間時求參結果部分可靠。根據(jù)計算可知，無人機監(jiān)測的某煤礦2S201工作面的測量中誤差81 mm與最大下沉值2 487 mm的比值為3.3%，因此認為此次反演求取的沉陷參數(shù)是可靠的。由于2S201工作面在2018-6-9—2018-9-4的開采引起的地表沉陷需持續(xù)一段時間才能停止，尚未形成穩(wěn)定的沉陷盆地，且此后工作面仍需繼續(xù)推進，因此此期間形成的沉陷盆地為“動態(tài)沉陷盆地”。故對該期間的沉陷數(shù)據(jù)利用概率積分法的穩(wěn)態(tài)預計模型和時間影響函數(shù)(Knothe時間影響函數(shù))進行動態(tài)求參。對UAV監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)水準測量獲取的沉陷數(shù)據(jù)的求參結果進行對比，見表6，可得，下沉系數(shù)相對誤差為1.4%，主要影響角正切相對誤差為20%。

表6 開采沉陷預計參數(shù)反演結果Table 6 Inversion results of mining subsidence prediction parameters

利用求參結果進行預計得到擬合下沉值，實測下沉值與擬合下沉值的中誤差(即擬合中誤差)應滿足小于10%W0(W0為最大下沉值)的要求，否則求出的參數(shù)結果將會不可靠。此外，擬合中誤差與測量中誤差成正比，測量中誤差越大，則擬合中誤差也越大。擬合中誤差計算公式為

(2)

式中：v為實測下沉值與擬合下沉值的差。

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)計算得，無人機數(shù)據(jù)求參結果的擬合中誤差為181 mm，占最大下沉值2 487 mm的百分比為7.3%，故認為該求參結果相對可靠；而水準測量的測量精度高于無人機測量，故水準數(shù)據(jù)求參結果也可靠。

由表6中的對比結果可以看出，由無人機攝影測量獲得的沉陷數(shù)據(jù)反演得到的下沉系數(shù)是可靠的；而由于無人機監(jiān)測沉陷盆地邊界誤差較大，導致求取的主要影響角正切值偏小。因此無人機攝影測量技術可應用于礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測，并可求取可靠的下沉系數(shù)。

礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復和土地復墾等也是礦區(qū)沉陷監(jiān)測的主要目的之一，無人機攝影測量技術以其低成本、高靈活度、高效率等優(yōu)點，通過數(shù)據(jù)處理獲取高分辨率地表DEM和全盆地沉陷數(shù)據(jù)以及大比例尺地形圖，為復墾規(guī)劃提供了基礎信息[15]。此外，獲取的海量的光學影像數(shù)據(jù)可以提取礦區(qū)地表植被信息，為研究煤礦開采引起的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化提供支撐，彌補常規(guī)監(jiān)測手段僅能獲得地表沉降數(shù)據(jù)的不足。

3 討論及建議

1)煤炭開采引起巖層及地表變形問題在生態(tài)環(huán)境極其脆弱的西部地區(qū)尤為突出，嚴重影響和制約了煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人民的健康生活[2]。目前常規(guī)地表移動觀測站布設在工作面主斷面上，由“點”組成“十字形”觀測線，具有尺度小、工作量大、數(shù)據(jù)及信息量少等不足。在西部淺埋深、大采高、快速綜合機械化及智能化的大規(guī)模、高強度開采已成為主流下，開采引起的巖層及地表移動呈現(xiàn)出損害面積大、程度深、波及范圍廣的特點。常規(guī)地表移動觀測站已無法適應新形勢下的開采損害監(jiān)測任務；UAV攝影測量為解決上述問題提供了新的技術途徑。UAV攝影測量以無人機為平臺，可快速獲取含有豐富的地物光譜信息的光學影像，具有機動靈活、高效精準、作業(yè)成本低(突出的時效性和性價比)等優(yōu)勢；通過研究，UAV攝影測量可以快速獲得“面狀”全盆地沉陷數(shù)據(jù)，并可反演可靠的沉陷參數(shù)，可為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復和土地復墾提供豐富數(shù)據(jù)。

2)對UAV攝影測量獲得的DEM以及沉陷盆地的精度進行評估，得到UAV監(jiān)測的礦區(qū)地表DEM高程中誤差為228 mm，主要誤差來源于無人機平臺較輕易受天氣因素影響而導致影像質(zhì)量差，影像畸變大以及無人機飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，這些誤差包括系統(tǒng)和偶然誤差；沉陷盆地通過DEM相減，消除了系統(tǒng)誤差的影響，沉陷盆地的精度為81 mm(即為厘米級精度)，比DEM高程精度提高了64.5%；因此，無人機監(jiān)測礦區(qū)大變形具有顯著優(yōu)勢，但無法準確監(jiān)測沉陷盆地邊界區(qū)域小變形。就單個點的精度而言，無人機攝影測量監(jiān)測精度不滿足要求；然而，從開采沉陷參數(shù)反演的角度來說，與水準測量求參結果相比，無人機攝影測量獲得沉陷數(shù)據(jù)求取的下沉系數(shù)相對誤差較小，僅為1.4%，由于UAV獲得下沉盆地邊界誤差較大，求取的主要影響角正切相對誤差為20%，誤差偏大。UAV攝影測量的不足之處在于：①無人機平臺較輕、攝影姿態(tài)不穩(wěn)定(影像旋偏較大)；②飛行高度低、影像幾何畸變大；③航攝影像重疊度不規(guī)則等方面的缺陷，導致UAV攝影測量的高程測量精度相對較低。根據(jù)實測結果，平均高程精度為228 mm(即為分米級精度)。UAV監(jiān)測礦區(qū)開采沉陷大變形具有優(yōu)勢，卻無法準確獲得沉陷邊界區(qū)域數(shù)據(jù)，這也導致其反演的參數(shù)主要影響角正切誤差較大的原因。

3)盡管無人機攝影測量技術在礦區(qū)地表沉陷中存在些許不足，但其監(jiān)測得到的高分辨率影像以及處理生成的各數(shù)字產(chǎn)品對于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要作用。為推廣無人機攝影測量技術在礦區(qū)中的應用，需提高其監(jiān)測精度，可以通過傳統(tǒng)觀測站與無人機攝影測量技術聯(lián)合監(jiān)測的方法；根據(jù)文獻[16]中測點缺失對地表移動參數(shù)的影響的研究可知，重要觀測點(如最大下沉處、拐點附近等)對概率積分法參數(shù)的確定起決定性作用，為彌補無人機攝影測量技術存在的缺陷，可以將觀測站布設在礦區(qū)地表最大下沉處、拐點附近以及盆地邊界；將觀測站數(shù)據(jù)與無人機數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，既可得到完整可靠的沉陷盆地，又能可靠地求得開采沉陷預計的各參數(shù)。此外，隨著無人機制造工藝、機載定位、視覺算法等技術的創(chuàng)新，無人機攝影測量技術正趨向于智能化和自動化發(fā)展[17]；研制高效鋰電池、太陽能電池、無人機群體化協(xié)同作業(yè)等方法提高了無人機的續(xù)航能力，使無人機攝影測量技術更能適應于礦山的大規(guī)模監(jiān)測；無人機與相機設備的進步，使由無人機平臺不穩(wěn)定、影像畸變等問題造成的誤差可以減小。

4)除了提到的常規(guī)測量技術和UAV攝影測量外，目前地面三維激光掃描技術，InSAR技術也被應用礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中。然而，地面三維激光掃描技術雖然可以獲得大量空間點云信息，從而構建三維模型[18-21]，但其監(jiān)測成本高且需多次遷站，不具有靈活性；InSAR技術可全天時、全天候連續(xù)監(jiān)測，且監(jiān)測成本低[22-24]，但時空相位失相干阻礙了它在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的推廣應用[25]。而無人機攝影測量技術以其成本低、監(jiān)測范圍廣、靈活度高、可連續(xù)性監(jiān)測等優(yōu)勢，逐漸在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中被廣泛應用。隨著測繪新技術的發(fā)展，多種技術融合，多源數(shù)據(jù)融合是開采沉陷監(jiān)測的發(fā)展趨勢，通過多技術融合可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚長避短獲得更高精度的全盆地沉陷數(shù)據(jù)，可以精細化研究地表盆地變形。通過多源數(shù)據(jù)融合即可以獲得地表變形，又可以精確獲得礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及其變化，為礦區(qū)生態(tài)修復、環(huán)境評價及后評價提供高精度豐富的基礎數(shù)據(jù)。

4 結 論

1)分析了西部大多數(shù)礦區(qū)煤層淺埋，大采高、高強度快速開采引發(fā)的地表沉陷呈現(xiàn)變形速度快、損害程度深、波及范圍廣的特點。常規(guī)觀測站的不足導致其已無法適應高強度開采地表損害監(jiān)測任務。在這種形式下，如何快速、準確、全面地監(jiān)測西部高強度大規(guī)模開采引起的地表沉陷與環(huán)境損害是解決問題的關鍵。提出采用無人機攝影測量技術，給出了無人機攝影測量監(jiān)測礦區(qū)開采損害的思路和方法，并以內(nèi)蒙古鄂爾多斯某煤礦為例進行了應用研究，結果表明無人機攝影測量技術可以獲取“面狀”全盆地數(shù)據(jù)并反演出穩(wěn)定可靠的參數(shù)，具有簡單、高效、快速的特點，彌補了常規(guī)監(jiān)測方法的不足。

2)以某煤礦為研究對象，利用無人機攝影測量技術獲取地表影像數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測區(qū)域高分辨率的DEM數(shù)據(jù)和沉陷盆地。通過與全站儀/水準測量的地面觀測站數(shù)據(jù)對比，對無人機DEM和沉陷盆地的精度進行評估，精度分別為228 mm和81 mm，基于精度分析結果對無人機攝影測量技術監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的可行性進行分析，得出其在開采沉陷預計參數(shù)反演中，可以求得較為可靠的下沉系數(shù)；獲取的大量影像數(shù)據(jù)可以為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及后續(xù)的生態(tài)修復和土地復墾提供基礎數(shù)據(jù)。

3)無人機攝影測量技術作為一種新技術應用于煤礦開采地表沉陷中，具有監(jiān)測成本低，耗時短等優(yōu)勢，結合某煤礦研究實例來看，其監(jiān)測精度81 mm達厘米級，但對于單點精度來說尚待提高，可對其誤差源進行分析以改善其精度，使之在煤礦開采沉陷監(jiān)測中得到推廣應用。

4)討論分析了無人機攝影測量及現(xiàn)有監(jiān)測手段的優(yōu)缺點，建議采用傳統(tǒng)觀測站與無人機攝影測量技術聯(lián)合監(jiān)測的方法，可以得到更為精準的沉陷盆地信息和參數(shù)。隨著測繪新技術的發(fā)展，多種技術融合發(fā)揮各自優(yōu)勢，多源數(shù)據(jù)融合進行精準礦區(qū)生態(tài)環(huán)境損害監(jiān)測是開采沉陷監(jiān)測的發(fā)展趨勢。